Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 P6 pdf

Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD
46
trong đó:
Q
u
lực nhổ trên một bu lông do tải trọng có hệ số, đ ược lấy bằng không khi lực l à
âm (N)
P
u
lực kéo trực tiếp trên một bu lông do tải trọng có hệ số (N)
a khoảng cách từ tim bu lông đến mép tấm (mm)
b khoảng cách từ tim bu lông đến chân đường hàn của cấu kiện liên kết (mm)
t bề dày nhỏ nhất của các cấu kiện li ên kết
2.7 Liên kết hàn đơn giản
Liên kết hàn là hình thức liên kết chủ yếu hiện nay trong kết cấu thép. Li ên kết hàn đơn
giản về cấu tạo, thiết kế v à thi công, ít chi ti ết và không gây giảm yếu mặt cắt. Thông
thường, các cấu kiện thép đ ược hàn nối trong nhà máy và được lắp ghép tại công tr ường
bằng bu lông cường độ cao.
Tuy nhiên, nhược điểm của liên kết hàn là thường gây ứng suất dư, đặc biệt trong
những mối hàn lớn. Ngoài ra, chất lượng mối hàn phụ thuộc nhiều vào công nghệ hàn và
trình độ người thi công.
Các mối hàn được thiết kế với cường độ bằng cường độ thép cơ bản, trong đó, que
hàn được quy định phù hợp với từng loại thép kết cấu (tham khảo t ài liệu [2]).
2.7.1 Cấu tạo liên kết hàn
Các loại mối hàn chủ yếu trong kết cấu thép l à hàn góc, hàn rãnh và hàn đinh tán, trong đó
thông dụng nhất là hàn góc. Khi chịu lực nhỏ, đường hàn góc là kinh tế vì không phải gia
công mép cấu kiện hàn. Khi chịu lực lớn, mối hàn rãnh có hiệu quả hơn vì mối hàn có thể
ngấu hoàn toàn vào thép cơ b ản. Hàn đinh tán chỉ được sử dụng khi không thể h àn góc
hay hàn rãnh.
Trong một liên kết, có thể sử dụng kết hợp nhiều loại đ ường hàn. Các loại vật liệu

hàn được quy đinh như sau: Thép hàn cho công trình c ầu được thống kê cùng với que hàn
yêu cầu trong bảng 2.7 và mối hàn phải ngấu hoàn toàn. Các mối hàn được thiết kế với
cường độ bằng cường độ thép cơ bản.
Bảng 2.7 Yêu cầu thép và que hàn thích hợp trong xây dựng cầu
Thép cơ bản
Tia hồ quang được che chắn
Tia hồ quang nhấn chìm
Tia hồ quang trong
khí trơ
A36/M270 cấp 250
AWS A.5.1hoặc A.5.5E7016,
E7018,hoặc E7028,E7016-X,
E7018-X
AWS A5.17
F6A0-EXXX F7A0-
EXXX
AWSA5.20
E6XT-1.5
E7XT-1.5
A572cấp 50/M270M
AWS A5.1 or A5. E7016,
AWSA5.17F7A10-
AWSA5.20E7XT-1.5

Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD
47
Thép cơ bản
Tia hồ quang được che chắn
Tia hồ quang nhấn chìm
Tia hồ quang trong

khí trơ
Cấp 345 loại 1,2,3
E7018, E7028, E7016-X
hoặc E7018-X
EXXX
A588/M270M
Cấp 345 W
AWS A5.1E7016, E7018,
E7028, AWS A5.5E7016-X
E7018-X, E7028-X, E7018-W
E7015, 16, 18-C1L, C2L
E8016, 18C1, C2, E8016,
18C3, E8018-W
AWS A5.17
hoặc A5.23
F7A0- EXXX
F8A0- EXXX
AWS A5.20
hoặc A5.29
E7XT-15
E8XT-1,5NiX, W
A852/M270 Cấp
485 W
AWS A5.5 E9018-M
AWS A5.23
F9A0-EXXX-X
AWS A5.29
E9XT1-X,E9XT5-X
A514/M270
Cấp 690 và 690 W

Dày trên 63.5mm
AWS A5.5 E1018-M
Bảng 2.8: Các vật liệu thép hàn theo tiêu chuẩn Mĩ (Bảng 3.1 –22TCN280-01)
Thép cơ bản
Yêu cầu cơ tính vật liệu hàn
Yêu cầu kiểm tra chứng chỉ
Ký hiêụ
AASHTO
(ASTM)
Phân loại theo
AWS

chảy
(MPa)

bền
(MPa)

chảy
(MPa)

bền
(MPa)

(%)
CVN (J)
M270M
(A709M)
Cấp 250
Hàn tự động dưới thuốc:

F6A0-EXXX
F7A0-EXXX
330
400
415 - 550
480 - 655
300
370
400 - 565
470 - 670
22
22
27 - 20
o
C
27 - 20
o
C
Hàn dây lõi thuốc:
E6XT-1,5
E7XT-1,5
345
414
428min
497 min
315
385
415 - 600
485 - 655
22

22
27 - 20
o
C
27 - 20
o
C
Hàn trong khí bảo vệ:
ER70S - 2, 3, 6, 7
400
480 min
385
485 - 670
22
27 - 20
o
C
M270M
(A709M)
Cấp 345
loại 1, 2, 3
Hàn tay:
E7016, E7018
E7028
E7016-X, E7018-X
399
390
482 min
480 min
Không kiểm tra

Hàn tự động dưới thuốc:
F7A0-EXXX
400
485 - 655
370
470 - 670
22
27 - 20
o
C
Hàn dây lõi thuốc:
E7XT-1,5
414
497 min
385
485 - 655
22
27 - 20
o
C
Hàn trong khí bảo vệ:
ER70S - 2, 3, 6, 7
400
480 min
370
470 - 670
22
27 - 20
o
C

Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD
48
Thép cơ bản
Yêu cầu cơ tính vật liệu hàn
Yêu cầu kiểm tra chứng chỉ
Ký hiêụ
AASHTO
(ASTM)
Phân loại theo
AWS

chảy
(MPa)

bền
(MPa)

chảy
(MPa)

bền
(MPa)

(%)
CVN (J)
Hàn tay:
E9018-M
540 - 620
620 min

Không kiểm tra
M270M
(A709M)
Cấp 485
Hàn tự động dưới thuốc:
F9A0-EXXX-X
540
620 - 760
510
605 - 785
17
34 - 25
o
C
Hàn dây lõi thuốc:
E9XT1-X
E9XT5-X
540
540
620 - 760
620 - 760
510
510
605 - 785
605 - 785
17
17
34 - 25
o
C

34 - 25
o
C
2.7.1.1 Hàn góc
Mối hàn góc được thực hiện ở góc vuông giữa hai cấu kiện cần liên kết (hình 2.15).
Mặt cắt mối hàn có thể quy về dạng tam giác vuông. Kích th ước đặc trưng của mặt cắt
mối hàn là cạnh nhỏ hơn trong hai cạnh vuông góc của tam giác, đ ược gọi là chiều dày
đường hàn, ký hiệu là w. Do một đoạn đường hàn có thể chịu tác dụng của cắt, nén hay
kéo theo mọi phương, một đường hàn yếu nhất là khi chịu cắt và nó luôn luôn được giả
thiết là bị phá hoại do cắt. Đặc biệt, sự phá hoại được giả thiết là xảy ra do cắt trong mặt
phẳng đi qua chỗ hẹp nhất của đ ường hàn. Bề rộng nhỏ nhất này là khoảng cách vuông
góc từ chân đường hàn tới đường huyền của tam giác.
Hình 2.15 Mối hàn góc
2.7.1.2 Hàn rãnh
Mối hàn rãnh thường được sử dụng để nối hai cấu kiện nằm tro ng cùng một mặt phẳng
(hình 2.16), nhưng cũng có thể dùng cho mối nối chữ T hay mối nối góc. Trong loại mối
hàn này, mép các cấu kiện phải được gia công để đảm bảo cho mối h àn ngấu trên toàn bộ
chiều dày các thanh nối.

Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD
49
Hình 2.16 Mối hàn rãnh
2.7.1.3 Giới hạn kích thước của mối hàn góc
Theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272 -05, chiều dày lớn nhất của mối hàn góc dọc
theo cạnh của cấu kiện liên kết được lấy bằng
 Chiều dày bản nối, nếu bản nối mỏng h ơn 6 mm
 Chiều dày bản nối trừ đi 2 mm nếu bản nối d ày hơn hoặc bằng 6 mm.
Chiều dày nhỏ nhất của mối hàn góc được quy định như trong bảng 2.6.
Bảng 2.9 Chiều dày nhỏ nhất của đường hàn góc (Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272 -05 )
Chiều dày chi tiết liên kết mỏng hơn

(mm)
Chiều dày nhỏ nhất của đường hàn góc
(mm)
T  20
6
T >20
8
Chiều dài có hiệu nhỏ nhất của đường hàn góc phải lớn hơn bốn lần chiều dày của nó
và phải lớn hơn 40 mm.
Các quy định cấu tạo chi tiết của li ên kết hàn theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN
272-05 có thể tham khảo trong Tài liệu [2].
2.7.2 Sức kháng tính toán của mối h àn
2.7.2.1 Mối hàn rãnh
a) Mối hàn rãnh ngấu hoàn toàn
Chịu lực dọc trục
Sức kháng tính toán của các li ên kết hàn rãnh ngấu hoàn toàn chịu nén hoặc chịu kéo trực
giao với diện tích hữu hiệu hoặc song song với trục đường hàn được lấy như sức kháng
tính toán của thép cơ bản.
Chịu cắt
Sức kháng tính toán của các li ên kết hàn rãnh ngấu hoàn toàn chịu cắt trên diện tích hữu
hiệu được lấy theo trị số nhỏ h ơn hoặc cho bởi công thức 2.13 hoặc 60% sức kh áng tính
toán chịu kéo của thép cơ bản.

Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD
50
1 exx
0,6
r e
R F
(2.13)

trong đó
exx
F
cường độ phân loại của thép đ ường hàn
1e

hệ số sức kháng đối với đối với thép h àn (bảng 1.1)
b) Mối hàn rãnh ngấu cục bộ
Chịu lực dọc trục
Sức kháng tính toán của các li ên kết hàn rãnh ngấu cục bộ chịu kéo hoặc chịu nén song
song với trục đường hàn hoặc chịu nén trực giao với diện tích hữu hiệu đ ược lấy như sức
kháng tính toán của thép cơ bản.
Sức kháng tính toán của các liên kết hàn rãnh ngấu cục bộ chịu kéo trực giao với diện
tích hữu hiệu được lấy theo trị số nhỏ h ơn hoặc cho bởi công thức 2.14 hoặc sức kháng
tính toán chịu kéo của thép cơ bản.
1 exx
0,6
r e
R F
(2.14)
trong đó,
1e

là hệ số sức kháng đối với thép h àn (bảng 1.1)
Chịu cắt
Sức kháng tính toán của các li ên kết hàn rãnh ngấu cục bộ chịu cắt song song với trục
đường hàn được lấy theo trị số nhỏ h ơn hoặc của sức kháng có hệ số của vật liệu liên kết
được quy định trong điều 6.13.5 (Ti êu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272 -05), hoặc cho bởi
công thức 2.15
2 exx

0,6
r e
R F
(2.15)
trong đó,
2e

là hệ số sức kháng đối với thép h àn (bảng 1.1).
2.7.2.2 Mối hàn góc
Chịu lực dọc trục
Sức kháng tính toán của li ên kết bằng đường hàn góc chịu nén hoặc chịu kéo song song
với trục đường hàn được lấy như sức kháng tính toán của thép c ơ bản.
Chịu cắt
Sức kháng tính toán của đ ường hàn góc chịu cắt trên diện tích hữu hiệu được lấy theo trị
số nhỏ hơn hoặc cho bởi công thức 2.16 hoặc sức kháng có hệ số của vật liệu li ên kết
được quy định trong điều 6.13.5.
2 exx
0,6
r e
R F
(2.16)
trong đó
exx
F
cường độ phân loại của thép đường hàn
2e

hệ số sức kháng đối với đối với thép h àn (bảng 1.1)

Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD

51
Sức kháng có hệ số của vật liệu li ên kết trong liên kết chịu cắt được quy định nhằm
đảm bảo không xảy ra phá hoại cắt đối với cấu kiện li ên kết (hình 2.17), phải được lấy
theo công thức 2.17.
r v n
R R
(2.17)
0,58
n g y
R A F
(2.18)
trong đó, A
g
là diện tích nguyên chịu cắt của cấu kiện li ên kết, F
y
là cường độ chảy của
thép liên kết và
v

là hệ số sức kháng đối với cắt (
1,0
v
 
).
Hình 2.17 Đường hàn góc chịu cắt. Cần phải kiểm tra c ường độ chịu cắt của tấm công son
Diện tích hữu hiệu của đ ường hàn góc bằng chiều dài hữu hiệu của đường hàn nhân
với chiều dày tính toán của mối hàn, là khoảng cách nhỏ nhất từ chân đ ường hàn đến mặt
mối hàn (hình 2.18).
Trong phần lớn các bài toán của liên kết hàn, phân tích cũng như thiết kế, nên sử
dụng cường độ trên một đơn vị chiều dài của đường hàn (hoặc là cường độ của bản thân

đường hàn, hoặc là cường độ của thép c ơ bản, tuỳ theo giá trị nào nhỏ hơn). Cách tiếp cận
này sẽ được minh hoạ trong ví dụ sau đây.
HÌnh 2.18 Mặt cắt tính toán của đường hàn góc

Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD
52
VÍ DỤ 2.5
Một thanh thép dẹt chịu kéo dọc trục đ ược liên kết vào một bản nút như trong hình 2.19.
Đường hàn góc có chiều dày 6 mm được chế tạo bằng que h àn E70XX có cường độ
exx
485 MPaF 
. Sử dụng thép kết cấu loại M270, cấp 250 . Giả thiết rằng cường độ chịu
kéo của thanh kéo là được đảm bảo. Hãy xác định cường độ thiết kế của li ên kết hàn.
Hình 2.19 Hình cho ví dụ 2.5
Lời giải
Do đường hàn được bố trí đối xứng với trục dọc của cấu kiện, li ên kết được xem là một
liên kết đơn giản và không có tải trọng bổ sung do lệch tâm.
Chiều dày tính toán của đường hàn là (0,707  6)
Khả năng chịu cắt trên một đơn vị chiều dài (1 mm) đường hàn là
2 exx
0,6 .0,707 0,6.0,8.485.0,707.6 987,6 N/mm
r e
R F w  
Khả năng chịu cắt trên một đơn vị chiều dài của thanh nối mỏng h ơn (bản nút) là
.(0,58 ) 1,0.0,58.8.250 1160 N/mm
v n v y
R tF   
→ Cường độ đường hàn là quyết định. Khả năng chịu lực của toàn liên kết là
987,6.(100 100) 197520 N 197,52 kN
r

R    
Đáp số Cường độ thiết kế của li ên kết hàn là 197,52 kN.
VÍ DỤ 2.6
Một thanh thép dẹt có kích thước 12  100 mm
2
bằng thép M270, cấp 250 chịu kéo đúng
tâm với lực kéo có hệ số bằng 210 kN. Tha nh kéo được hàn vào bản nút có chiều dày 10
mm như trong hình 2.20. Hãy thiết kế liên kết hàn.

Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD
53
Hình 2.20 Hình cho ví dụ 2.6
Lời giải
Đối với thép cơ bản M270, cấp 250, thường dùng loại que hàn E70XX có
exx
485 MPaF 
.
Thử chọn đường hàn có kích thước tối thiểu w = 6 mm.
Khả năng chịu lực của một đ ơn vị chiều dài đường hàn, như đã được tính trong ví dụ 2.5,
là 987,6 N/mm.
Khả năng chịu cắt trên một đơn vị chiều dài của thanh nối mỏng h ơn (bản nút) là
.(0,58 ) 1,0.0,58.10.250 1450 N/mm
v n v y
R tF   
→ Cường độ đường hàn là quyết định.
Chiều dài đường hàn cần thiết là
3
210.10
213 mm
987,6

L  
thoả mãn yêu cầu về chiều dài tối thiểu của đường hàn là 4w = 24 mm và 40 mm.
Đáp số
Vậy, sử dụng hai đường hàn song song bằng nhau, mỗi đường hàn dài 110 mm.
2.8 Các trường hợp liên kết lệch tâm
Liên kết lệch tâm là một liên kết mà trong đó, hợp các lực tác dụng không đi qua
trọng tâm của các bu lông hoặc đ ường hàn. Nếu liên kết có một mặt phẳng đối xứng th ì
trọng tâm diện tích chịu cắt của bu lông hoặc đ ường hàn có thể được sử dụng làm điểm
tham chiếu và khoảng cách vuông góc từ đ ường tác dụng của tải trọng đến trọng tâm n ày
được gọi là độ lệch tâm. Mặc dù hầu hết các liên kết trong thực tế chịu lực lệch tâm nh ưng
trong nhiều trường hợp, độ lệch tâm l à nhỏ và có thể được bỏ qua.
2.8.1 Liên kết bu lông lệch tâm chỉ chịu cắt
Liên kết công son vào cột như trong hình 2.1d là một ví dụ của liên kết bu lông chịu
cắt lệch tâm. Có hai cách tiếp cận để giải quyết b ài toán: phân tích đàn h ồi theo truyền

Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD
54
thống và phân tích cường độ giới hạn. Phần sau đây trình bày cách tính liên k ết bu lông
lệch tâm bằng phân tích đ àn hồi. Cách tính toán theo phân tích c ường độ giới hạn có thể
tham khảo tài liệu [5].
Phân tích đàn hồi
Tải trọng P tác dụng lệch tâm có thể đ ược thay thế bằng một lực P tác dụng tại trọng tâm
cộng với một mô men M = P.e, với e là độ lệch tâm.
Dưới tác dụng của tải trọng đúng tâm P, mỗi bu lông chịu tác dụng của một phần lực
chia đều
/
c
p P n
, với n là số bu lông.
Dưới tác dụng của mô men, nội lực của bu lông có thể đ ược xác định khi coi ứng suất

cắt trong bu lông là do xoắn của một mặt cắt ngang đối với các diện tích mặt cắt ngang
của các bu lông. Như vậy, ứng suất cắt trong mỗi bu lông có thể đ ược tính theo công thức
về xoắn
v
Md
f
J

(2.19)
trong đó
D khoảng cách từ trọng tâm của diện tích tới điểm cần tính ứng suất
J mô men quán tính c ực của diện tích quanh trọng tâm
và ứng suất f
v
vuông góc với d.
Nếu áp dụng định lý trục song song, J cho toàn thể diện tích có thể xấp xỉ bằng
2 2
J Ad A d 
 
Ở đây, giả thiết tất cả các bu lông có c ùng diện tích. Công thức 2.19 có thể đ ược viết
thành
2
v
Md
f
A d


và lực cắt trong mỗi bu lông do mô men sinh ra l à
2 2

m v
Md Md
p Af A
A d d
  
 
Hai thành phần lực cắt đã được xác định có thể được cộng vec tơ để tạo thành hợp lực
p như được minh hoạ trong h ình 2.21. Kích thước của bu lông sẽ được chọn theo nội lực
lớn nhất trong các bu lông.